超声波防除垢技术在换热器管束上的应用模拟研究
发布时间：2021-04-15 05:51
换热设备的防垢除垢是化工生产等领域中不可缺少的部分。超声波防除垢措施是近年来推广起来的新型技术,该技术应用领域广、经济性好,因而拥有广阔的前景。本文基于管壳式换热器,对该防除垢方法做了进一步的研究,本文的研究结果对节能环保、完善超声波防除垢技术具有一定参考意义。本文依据超声波除垢的剪切作用和空化作用进行仿真模拟。引入有限元分析软件ANSYS,通过ANSYS中的动力分析程序LS-DYNA中隐式-显式求解方法来分析超声波对换热器的剪切作用。此外,利用FLUENT软件来模拟超声波的空化作用,以mixture模型为基础添加空化模型,对换热管内流体的空化效应进行模拟分析。结果表明,在单根换热管中,超声波对污垢的剪切作用随着超声波振幅、频率的增大而增大,随间歇比的增大而减小,当超声波的脉冲长度和单位脉冲中周期数取某一数值时,对换热管上污垢的剪切作用效果最佳;在对于单根换热管的空化效应模拟中,发现采用高压低频的工作状态时空化效果最好;在整个换热器的模拟中,超声波参数的变化在一定程度上能影响对换热器的剪切作用。
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２换热装置除垢后??Ｆｉｇ．?１．１?Ｂｅｆｏｒｅ?ｄｅｓｃａｌｉｎｇ?ｏｆ?ｈｅａｔ?ｅｘｃｈａｎｇｅｒ?Ｆｉｇ．?１．２?Ａｆｔｅｒ?ｄｅｓｃａｌｉｎｇ?ｏｆ?ｈｅａｔ?ｅｘｃｈａｎｇｅｒ??＂
能降耗和可持续发展符合时代的需要，新型除垢技术的研究能为此提供新的技术支持，??因而意义重大。??１．２超声波的除垢原理??超声波除垢法是通过超声波换能器将波传递到换热装置上，使装置发生振动现象，??同时又导致流动工质发生一系列变化。以下列举了超声波除垢的主要原理：??（１）超声空化原理??超声波的稀疏相和压缩相交替影响下，液体中存在的微小气泡体积发生变化。当体??积达到某个数值时的气泡会溃灭，气泡溃灭瞬间可以对溶液中的污垢产生影响，能达到??除垢的目的。液体中气泡体积变化情况如图１．３。??超声波声压＿Ｐ?ｓｉｎ?ｗ?ｔ??￣?ａ?．ｍ??ｉ?，ｒ＼?ｆｒ＼?ｒ??｜?Ｖ?Ｖ?：?ｗ＿）??？?：?丨：；丨形核??空化泡产生??图１．３空泡变化示意图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ??在施加超声波时，气泡破灭的瞬间会产生５０ＭＰａ以上的局部压力，接近５２００Ｋ的??高温，温度变化率可达１０Ｋ／Ｓ，而且局部位置能出现速度约为４００ｋｍ／ｈ的微射流以及每??秒几万次的强烈冲击波ＰＩ气泡的破灭出现在固体表面处时，许多的溃灭气泡会发出??作用在壁面上的高速微射流，这些微射流可以形成对壁面污垢的冲击作用，因而达到除??垢的目的。??（２）剪切原理??当安装在换热设备上的换能器发出超声波时，会引起金属表面上的污垢随着换热设??
华东理工大学硕士学位论文?第１３页??安装在设备的金属壁面上。短脉冲超声波的除垢机理主要是以剪切作用、空化作用为主。??■?ｍｍ??图２．２短脉冲超声波?图２．３长脉冲超声波??Ｆｉｇ．２．２?Ｓｈｏｒｔ?ｐｕｌｓｅ?ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ?Ｆｉｇ．２．３?Ｌｏｎｇ?ｐｕｌｓｅ?ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ??（２）长脉冲超声波??长脉冲超声波的脉冲长度很长，而且间歇时间比较短，如图２．３所示。目前使用的??长脉冲超声波仪器的参数一般可以调节。发射长脉冲超声波的换能器具有加速度大、冲??击力强、功率超声辐射远等特点。相比而言，长脉冲超声波的每秒钟的有效工作时间会??比短脉冲超声波更长。长脉冲超声波的除垢原理，除了剪切作用、空化作用以外，还有??空压效应和椭圆轨迹效应。??长脉冲超声波的作用下，脉冲衰减较少，脉冲能量持续进行传递，可以形成剧烈的??冲击波、宏观可见的扰动，这就是空压效应。例如，在一个大圆桶内放置长脉冲超声波??换能器。即便装置没打和桶壁发生接触，也能在岡简ｍ面丨？．测景出明显的振动，并且接??触桶内流体时会感受到刺手感。当超卢波换能器１?ｊ金Ｍ壁接触耵，壁面在长脉冲超声波??下会产生持续高频相运动，壁面任意质点总是存在着向着一定的方向的高速椭圆轨迹运??动方式，此现象被称为椭圆轨迹效应。??空压效应和椭圆轨迹效应能够使长脉冲超声波更好地进行防除垢作用。此外，长脉??冲作用下还会引起高频低幅的脉动，这种振动会导致污垢不断地移动和被剥离，而不是??粘接在某一固定地方。??２．４．２超声波的传播方式??依枞超声波的传播力＂丨以将波的传播方式分为横波、纵波和兰姆波。纵波也被??叫做疏密波，超声波以纵波传播吋，质
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声波防除垢技术在韶钢的应用[J]. 周杨,张新华,姚鸿波. 南方金属. 2019(05)
[2]汽轮机凝汽器超声波在线除垢技术应用[J]. 曾祥松. 冶金动力. 2019(08)
[3]超声波在线防垢除垢技术在换热设备上的应用[J]. 车春媚,王浩,王辉. 化工设备与管道. 2016(01)
[4]超声波除垢技术在脱乙烷塔顶冷凝器上的应用[J]. 厉勇,郑娥. 石油化工腐蚀与防护. 2014(06)
[5]动态实验研究超声波对碳酸钙结垢影响规律[J]. 刘振,王丽玲. 当代化工. 2014(06)
[6]超声波用于锅炉循环水除垢的研究进展[J]. 孙大鹏. 环境保护与循环经济. 2014(01)
[7]换热器的超声波除垢技术[J]. 朱永强. 黑龙江科技信息. 2013(15)
[8]换热器污垢及阻垢研究的现状[J]. 林冰. 山东化工. 2013(02)
[9]换热器内超声空化效应影响因素数值研究[J]. 张艾萍,胡剑文,杨洋,徐志明. 工程热物理学报. 2012(08)
[10]基于声辐射模态的双层板声传输有源控制数值仿真和分析研究[J]. 靳国永,张洪田,刘志刚,杨铁军. 振动工程学报. 2011(04)
硕士论文
[1]脉冲超声波技术在化工设备软垢防除中的模拟研究[D]. 卢绍吕.华东理工大学 2018
[2]基于超声导波的管道防腐层检测技术研究[D]. 张晓丹.沈阳工业大学 2017
[3]基于有限元的污垢管道超声导波传播特性研究[D]. 吴春迎.东北电力大学 2017
[4]超声波技术的除垢机理研究及在换热器中的应用[D]. 王志华.华东理工大学 2016
[5]超声波声场模拟及除垢实验研究[D]. 曾照彬.长沙理工大学 2014
[6]粘弹性复合圆柱壳结构在冲击载荷作用下的动力学响应与结构抗冲击设计[D]. 李少亮.哈尔滨工业大学 2013
[7]超声波防垢除垢技术在环己酮装置中的应用[D]. 何铿.华东理工大学 2012
[8]粘弹性材料复合梁的动力学建模与分析[D]. 刘传军.东北大学 2011
[9]基于纳米压痕技术与有限元法的粘弹性材料力学特性研究[D]. 洪磊.安徽大学 2011
[10]超声波防垢的室内实验研究[D]. 李晓莉.中国石油大学 2011
本文编号：3138768
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２换热装置除垢后??Ｆｉｇ．?１．１?Ｂｅｆｏｒｅ?ｄｅｓｃａｌｉｎｇ?ｏｆ?ｈｅａｔ?ｅｘｃｈａｎｇｅｒ?Ｆｉｇ．?１．２?Ａｆｔｅｒ?ｄｅｓｃａｌｉｎｇ?ｏｆ?ｈｅａｔ?ｅｘｃｈａｎｇｅｒ??＂
能降耗和可持续发展符合时代的需要，新型除垢技术的研究能为此提供新的技术支持，??因而意义重大。??１．２超声波的除垢原理??超声波除垢法是通过超声波换能器将波传递到换热装置上，使装置发生振动现象，??同时又导致流动工质发生一系列变化。以下列举了超声波除垢的主要原理：??（１）超声空化原理??超声波的稀疏相和压缩相交替影响下，液体中存在的微小气泡体积发生变化。当体??积达到某个数值时的气泡会溃灭，气泡溃灭瞬间可以对溶液中的污垢产生影响，能达到??除垢的目的。液体中气泡体积变化情况如图１．３。??超声波声压＿Ｐ?ｓｉｎ?ｗ?ｔ??￣?ａ?．ｍ??ｉ?，ｒ＼?ｆｒ＼?ｒ??｜?Ｖ?Ｖ?：?ｗ＿）??？?：?丨：；丨形核??空化泡产生??图１．３空泡变化示意图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ??在施加超声波时，气泡破灭的瞬间会产生５０ＭＰａ以上的局部压力，接近５２００Ｋ的??高温，温度变化率可达１０Ｋ／Ｓ，而且局部位置能出现速度约为４００ｋｍ／ｈ的微射流以及每??秒几万次的强烈冲击波ＰＩ气泡的破灭出现在固体表面处时，许多的溃灭气泡会发出??作用在壁面上的高速微射流，这些微射流可以形成对壁面污垢的冲击作用，因而达到除??垢的目的。??（２）剪切原理??当安装在换热设备上的换能器发出超声波时，会引起金属表面上的污垢随着换热设??
华东理工大学硕士学位论文?第１３页??安装在设备的金属壁面上。短脉冲超声波的除垢机理主要是以剪切作用、空化作用为主。??■?ｍｍ??图２．２短脉冲超声波?图２．３长脉冲超声波??Ｆｉｇ．２．２?Ｓｈｏｒｔ?ｐｕｌｓｅ?ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ?Ｆｉｇ．２．３?Ｌｏｎｇ?ｐｕｌｓｅ?ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ??（２）长脉冲超声波??长脉冲超声波的脉冲长度很长，而且间歇时间比较短，如图２．３所示。目前使用的??长脉冲超声波仪器的参数一般可以调节。发射长脉冲超声波的换能器具有加速度大、冲??击力强、功率超声辐射远等特点。相比而言，长脉冲超声波的每秒钟的有效工作时间会??比短脉冲超声波更长。长脉冲超声波的除垢原理，除了剪切作用、空化作用以外，还有??空压效应和椭圆轨迹效应。??长脉冲超声波的作用下，脉冲衰减较少，脉冲能量持续进行传递，可以形成剧烈的??冲击波、宏观可见的扰动，这就是空压效应。例如，在一个大圆桶内放置长脉冲超声波??换能器。即便装置没打和桶壁发生接触，也能在岡简ｍ面丨？．测景出明显的振动，并且接??触桶内流体时会感受到刺手感。当超卢波换能器１?ｊ金Ｍ壁接触耵，壁面在长脉冲超声波??下会产生持续高频相运动，壁面任意质点总是存在着向着一定的方向的高速椭圆轨迹运??动方式，此现象被称为椭圆轨迹效应。??空压效应和椭圆轨迹效应能够使长脉冲超声波更好地进行防除垢作用。此外，长脉??冲作用下还会引起高频低幅的脉动，这种振动会导致污垢不断地移动和被剥离，而不是??粘接在某一固定地方。??２．４．２超声波的传播方式??依枞超声波的传播力＂丨以将波的传播方式分为横波、纵波和兰姆波。纵波也被??叫做疏密波，超声波以纵波传播吋，质
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声波防除垢技术在韶钢的应用[J]. 周杨,张新华,姚鸿波. 南方金属. 2019(05)
[2]汽轮机凝汽器超声波在线除垢技术应用[J]. 曾祥松. 冶金动力. 2019(08)
[3]超声波在线防垢除垢技术在换热设备上的应用[J]. 车春媚,王浩,王辉. 化工设备与管道. 2016(01)
[4]超声波除垢技术在脱乙烷塔顶冷凝器上的应用[J]. 厉勇,郑娥. 石油化工腐蚀与防护. 2014(06)
[5]动态实验研究超声波对碳酸钙结垢影响规律[J]. 刘振,王丽玲. 当代化工. 2014(06)
[6]超声波用于锅炉循环水除垢的研究进展[J]. 孙大鹏. 环境保护与循环经济. 2014(01)
[7]换热器的超声波除垢技术[J]. 朱永强. 黑龙江科技信息. 2013(15)
[8]换热器污垢及阻垢研究的现状[J]. 林冰. 山东化工. 2013(02)
[9]换热器内超声空化效应影响因素数值研究[J]. 张艾萍,胡剑文,杨洋,徐志明. 工程热物理学报. 2012(08)
[10]基于声辐射模态的双层板声传输有源控制数值仿真和分析研究[J]. 靳国永,张洪田,刘志刚,杨铁军. 振动工程学报. 2011(04)
硕士论文
[1]脉冲超声波技术在化工设备软垢防除中的模拟研究[D]. 卢绍吕.华东理工大学 2018
[2]基于超声导波的管道防腐层检测技术研究[D]. 张晓丹.沈阳工业大学 2017
[3]基于有限元的污垢管道超声导波传播特性研究[D]. 吴春迎.东北电力大学 2017
[4]超声波技术的除垢机理研究及在换热器中的应用[D]. 王志华.华东理工大学 2016
[5]超声波声场模拟及除垢实验研究[D]. 曾照彬.长沙理工大学 2014
[6]粘弹性复合圆柱壳结构在冲击载荷作用下的动力学响应与结构抗冲击设计[D]. 李少亮.哈尔滨工业大学 2013
[7]超声波防垢除垢技术在环己酮装置中的应用[D]. 何铿.华东理工大学 2012
[8]粘弹性材料复合梁的动力学建模与分析[D]. 刘传军.东北大学 2011
[9]基于纳米压痕技术与有限元法的粘弹性材料力学特性研究[D]. 洪磊.安徽大学 2011
[10]超声波防垢的室内实验研究[D]. 李晓莉.中国石油大学 2011
本文编号：3138768
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